工商业储能系列: 主动均衡之集中式主动均衡＜双向隔离DCDC+开关矩阵＞

前言在锂电池储能系统中电芯之间存在难以避免的容量和内阻差异形成“木桶效应”——最差的那节电芯限制了整个模组的可用容量并加速整体衰减。主动均衡技术正是为了解决这一问题而生。集中式主动均衡属于主动均衡的一种主流技术路线其核心定义如下整个电池模组共享一个能量转换核心如一个隔离型DC-DC变换器通过开关矩阵选通目标单节电芯实现能量在“单体电芯”与“整组总线”之间的双向流动。传统被动均衡通过电阻放电发热与分布式主动均衡每节电芯自带DC-DC相比集中式方案具有硬件成本相对可控、能量转移效率高、适合大容量簇级管理的优势。本文集中式主动均衡采用单双向隔离DC/DC变换器EMB1499Q配合多路开关矩阵EMB1428Q时分复用架构整个电池模组共享一个能量转换核心通过开关矩阵选通单节电芯接入DC/DC实现能量在单体电芯↔模组总线当前电池组总正/总负间双向无损转移高SoC电芯放电回馈总线或从总线取电充入低SoC电芯而非电芯间直接转移。关于电池均衡技术路线请参考前文工商业储能系列:电池均衡技术路线核心定义整个电池组共享一个能量转换核心如一个隔离DC-DC变换器通过开关矩阵选择目标电芯实现能量在“单体”与“整组”之间双向流动。硬件架构可分为两种双向DCDC变换器本文将重点剖析双向DC-DC架构的代表性方案——TI公司EMB1499Q EMB1428Q芯片组方案。核心架构以隔离型DC-DC变压器式如双向反激变压器为核心构建一条公共的能量总线。任何一节电芯的高能量都可以通过变压器隔离地输送到这个总线上再由总线给任何一节低能量电芯充电实现“点对面”的能量转移。整个系统由以下三部分组成能量转换核心一颗双向DC-DC变换器EMB1499Q。负责将单节电芯能量与模组总线总正/总负之间进行高效转换效率达87%。开关矩阵由多个EMB1428Q芯片驱动。负责选通目标电芯并将电芯的正负极正确接入DC-DC次级侧。控制单元MCU通过SPI总线控制所有EMB1428Q实现精确的时序逻辑与互锁保护。关键优势能量传递路径短、效率高适合整簇级别的集中调度管理。技术挑战需要复杂的开关矩阵来选通特定电芯尤其需要注意奇偶电芯的极性切换控制复杂度和硬件成本高。当下成为储能主流技术路线成熟方案譬如TI EMB1499 EMB1428.如下图所示仅参考架构细节欠妥。Ref: https://www.ti.com.cn/zh-cn/video/5232581175001能量路径能量通过DCDC在单节电芯↔[当前电池模组正负或者辅源12V/24V]之间转换而非在电芯间直接转移。一组TI EMB1499 EMB1428对应所有电芯总正总负,文末介绍。性能效率均衡电流可达5A官网效率可达87%。复杂度MCU通过SPI实时精确控制包含严格启动、超时8秒和故障上报等。该方案精妙之处在于采用“多对一”的分时复用架构, 通过EMB1428Q控制的FET开关矩阵将多个电池单元连接到一个共用的EMB1499Q DC-DC转换器上。通常6-12个电芯一组。开关矩阵(Switch Matrix)包含两部分电芯选择开关矩阵和极性选择开关矩阵电芯选择开关矩阵由一对NMOS背靠背串联构成栅极G和源极S分别接入EMB1428Q12个MOS控制接口。❓ 为什么必须使用“背靠背串联”的两个NMOS问题单个NMOS/PMOS内部都有一个寄生体二极管无法通过栅极电压关断。现象如果只用单个NMOS当电流反向时体二极管会导通导致无法真正隔离该电芯。解决方案将两个NMOS的源极或漏极连接在一起形成背靠背结构。无论两端电压方向如何总有一个MOS管处于反向截止状态从而实现了电流的双向完全关断。 为什么不用PMOSPMOS成本高、导通电阻偏大、驱动复杂因此工业级应用首选NMOS背靠背方案。极性选择开关矩阵由一对NMOS背靠背串联构成栅极G和源极S分别接入EMB1428Q。电芯选择开关NMOS和极性选择开关NMOS复用栅极G控制信号。解决了电芯极性正负与DC-DC次级侧接入方向的匹配问题。背景在串联电池组中某一节电芯的正极和负极不一定对应DC-DC次级侧的“V”和“V-”。功能将选中的电芯通过极性开关以正确的极性接入EMB1499Q的反激副边。复用极性选择开关的NMOS也复用EMB1428Q的栅极驱动信号。通过精确的互锁逻辑防止同一时间有多个极性路径闭合从而避免短路。EMB1428Q与EMB1499Q芯片组通过SPI总线接收单一指令进行控制。✅方案一: 1 * EMB1428 1 *EMB 1429EMB1428Q开关矩阵门极驱动集成电路IC专为与EMB1499Q DC-DC控制器IC配合工作而设计用于支持TI在电池管理系统中基于开关矩阵的主动电芯均衡方案。EMB1428芯片可提供12通道浮空N型场效应晶体管NFET门极驱动器用于对串联堆叠的最多七个电池电芯进行均衡。典型的电池管理系统BMS可管理最多14个电芯因此两个电池单元可同时进行充放电操作。EMB1499Q专为控制有源钳位正向拓扑而设计具备双向吸收或发射控制充电电流的能力。✅方案二: 多个EMB1428 1 * EMB 1429多个EMB1428 IC可组合使用以实现超过七个电池电芯堆叠的均衡。EMB1428不仅需要控制电芯选择开关矩阵的NMOS还需要控制这些电芯对应的极性选择开关4个NMOS组构成。根据芯片设计指南为每个EMB1428Q配备一个专用的EMB1499Q。尽管这种配置无疑是一种可行的解决方案但为了实现更低成本且整体尺寸更小的设计可以变更方案支持单个EMB1499Q与最多16个电芯共享。意味着一次只能对其中一个电芯最多16个中一个进行均衡但整体解决方案的体积可以显著减小。为将多个EMB1428Q极性总线连接至单个EMB1499Q次级电路需在极性选择电路中反向并联增加一个额外的开关矩阵以将FET的电压等级扩展至整个模块的电压。可以看到在每个EMB1428Q开关矩阵电路中额外添加一个反向并联的FET其由Vg8、Vg9、Vg10和Vg11根据需要控制。下图仅包含7个电芯即每个EMB1428控制最多7个电芯主动均衡。16电芯主动均衡控制方案如下EMB1428 #1 -- 7 电芯EMB1428 #2 -- 7 电芯EMB1428#3 -- 2 电芯EMB1499 --上述3个EMB1428对应极性开关矩阵V和V-同时并入Secondary side。假定使用场景设定均衡目标电芯结合上图阐述控制顺序。假设主动均衡Cell 1选择Cell 1 -- 通过EMB1428控制G0和S0闭合Q1, G1和S1闭合Q2极性选择 -- 通过EMB1428控制G12和S12闭合P4, G9和S9闭合P1, 适配Cell 1极性; 同时互锁à禁止G9和S9闭合P1,禁止G11和S11闭合P3.DCDC -- 通过EMB1499控制DCDC进行能量转换, 方向取决于过压或欠压。假设主动均衡Cell 2选择Cell 2 -- 通过EMB1428控制G2和S2闭合Q3, G1和S1闭合Q2极性选择 -- 通过EMB1428控制G11和S11闭合P3, G10和S10闭合P2, 适配Cell 2极性;同时互锁à禁止G10和S10闭合P2,禁止G12和S12闭合P4.DCDC -- 通过EMB1499控制DCDC进行能量转换方向取决于过压或欠压。注系统属于“单通道分时复用”禁止同时在当前组内多电芯同时均衡。总结与适用边界核心优势能量路径短通过总线与单体双向流动而非电芯间直接转移效率高达87%该数据来自TI官方实际工程中建议预留余量。成本可控共享一个DC-DC核心适合多串模组16S~24S。管理集中软件控制逻辑清晰便于系统监控与诊断。核心限制分时复用瓶颈同一时刻只能均衡一节电芯。在大容量、高倍率应用场景下多节电芯同时需要均衡时均衡时间可能较长。硬件复杂度开关矩阵包含大量NMOS对PCB布局、栅极驱动电流和互锁逻辑要求极高。防护要求必须严格实施超时保护如8秒无响应则关断、故障上报和极性互锁否则极易损坏模组。适用场景储能系统ESS户储、工商储、基站备电等。中低压电池管理电动工具、低速电车48V~144V。高压簇级均衡需结合其它技术如分布式辅助的混合方案。版本说明本文基于TI EMB1499Q与EMB1428Q芯片组datasheet参考日期2024年编写。不同批次或后续芯片版本如EMB1429Q可能有功能差异请以官方最新手册为准。未完待续。。。下篇将详细介绍基于单向DCDC变换器分布式主动均衡参考文章微电网系列之分布式发电定义与特性微电网系列之微电网分类定义微电网系列之微电网控制微电网系列之潮流方向微电网系列之位移因数DPF和功率因数PFVDE-AR-N 4105并网标准系列PAV,E MonitoringVDE-AR-N 4105并网标准系列: 5.7电网发电系统行为微电网系列: 位移因数DPF功率因数PF过激欠激VDE-AR-N 4105并网标准系列5.7.2稳态电压稳定性VDE-AR-N 4105并网标准系列无功功率供应VDE-AR-N 4105并网标准系列无功功率控制方法三种VDE-AR-N 4105并网标准系列无功功率VDE-AR-N 4105并网标准系列无功功率控制类型界定VDE-AR-N 4105并网标准系列5.7.3电网稳定性概要VDE-AR-N4105并网标准系列: 5.7.4.2.1 有功输出概要VDE-AR-N4105并网标准系列: 5.7.4.2.2 电网安全管理实施VDE-AR-N4105: PAV,E MonitoringControl 防逆流监测控制和认证测试关于三相三线制基于虚拟中性点校正相电压方法工商业储能系列基于EtherCAT强实时多节点下一代通信架构思考和预研工商业储能系列: 交流并网-电池簇并联缺陷、解耦方案与演进路径